O nouă tehnologie de editare genetică ar putea fi mai veche decât CRISPR. Cercetătorii au găsit-o în virusuri

CRISPR este una dintre cele mai cunoscute tehnologii de editare genetică din prezent, însă cercetătorii cred că originile sale ar putea fi mult mai vechi și mai surprinzătoare decât se credea. Două studii publicate în revista „Science” descriu un sistem genetic identificat în virusuri, numit VIPR, care ar putea avea peste patru miliarde de ani și ar putea reprezenta chiar strămoșul sistemului CRISPR.

Descoperirea este interesantă nu doar pentru că schimbă povestea evolutivă a uneia dintre cele mai importante tehnologii biologice moderne. VIPR pare să aibă și câteva caracteristici care l-ar putea transforma într-un instrument de editare genetică foarte eficient. Moleculele sunt mai mici decât cele folosite de CRISPR și par capabile să țintească o varietate mai mare de secvențe genetice, scrie The New York Times.

CRISPR ar putea avea originea într-o armă folosită de virusuri

CRISPR nu a fost inventat de oameni. Cercetătorii l-au descoperit în bacterii și alte microorganisme, unde sistemul funcționează ca o formă de apărare împotriva virusurilor. Proteinele CRISPR lucrează împreună cu molecule de ARN care se potrivesc cu anumite secvențe din materialul genetic al virusurilor.

Atunci când găsește secvența potrivită, ARN-ul se fixează pe aceasta, iar proteina asociată taie ADN-ul virusului și îl dezactivează. De aici a pornit transformarea CRISPR într-un instrument de editare genetică folosit în cercetare și în dezvoltarea unor tratamente medicale.

Întrebarea care a rămas mult timp fără răspuns era însă de unde a apărut acest mecanism. Dacă bacteriile folosesc CRISPR pentru a se apăra de virusuri, cine a avut primul o astfel de armă?

Jennifer Doudna, biochimistă la University of California, Berkeley și laureată a Premiului Nobel pentru chimie în 2020 pentru contribuțiile sale la dezvoltarea CRISPR, a început să caute răspunsul la această întrebare. Ideea ei a fost că un sistem atât de complex trebuia să aibă o origine și că urmele acelei origini ar putea fi încă ascunse în biologie.

Inteligența artificială a ajutat cercetătorii să găsească VIPR

În loc să compare doar genele care codifică sistemele CRISPR, Peter Yoon, care la momentul respectiv era doctorand în laboratorul lui Doudna, a ales să studieze proteinele produse de aceste gene. Motivul este că forma unei proteine poate rămâne asemănătoare chiar și atunci când secvența genei care o codifică s-a schimbat foarte mult în milioane sau miliarde de ani.

Vezi și:

Bananele care nu se mai înnegresc după ce sunt tăiate ar putea ajunge în magazine. Au fost modificate genetic cu CRISPR

Oamenii de știință transformă deșeurile de plastic în biscuiți, cu ajutorul drojdiei modificate genetic

Yoon și colegul său Kenneth Loi au analizat aproximativ 2,3 milioane de proteine și au căutat unele care semănau cu moleculele asociate CRISPR, dar care nu făceau parte din sistemele CRISPR cunoscute la microorganisme.

Rezultatul i-a surprins: aproape toate proteinele de acest tip proveneau din virusuri.

Descoperirea a reprezentat o schimbare completă de perspectivă. Dacă CRISPR este o armă pe care bacteriile o folosesc împotriva virusurilor, cercetătorii găsiseră acum virusuri care păreau să aibă propriul sistem de țintire genetică.

Rafael Pinilla-Redondo, virusolog la University of Copenhagen, care nu a participat la cercetare, a subliniat că astfel de conexiuni ar fi fost foarte greu de găsit cu metodele disponibile în urmă cu doar câțiva ani. Instrumentele bazate pe AI pot identifica asemănări între proteine foarte îndepărtate evolutiv, inclusiv unele care au rămas ascunse până acum.

VIPR nu taie genele, ci le închide

Cercetătorii au numit aceste proteine VIPR și au trecut apoi de la analiza computațională la experimente pe virusuri reale. Una dintre tulpinile pe care voiau să o studieze se afla deja, întâmplător, în congelatorul laboratorului lui Doudna, fiind păstrată pentru alte experimente.

După ce au dezghețat virusul și au infectat celule, cercetătorii au putut observa ce face sistemul. Celulele infectate au produs proteine VIPR, care s-au asociat apoi cu molecule de ARN provenite de la virus.

La fel ca în cazul CRISPR, complexul rezultat a fost capabil să țintească anumite secvențe de ADN viral. Diferența este modul în care acționează.

Proteinele CRISPR taie materialul genetic vizat. VIPR se înfășoară în jurul acestuia. Rezultatul este însă asemănător: gena țintită este oprită și nu mai poate funcționa normal.

Cercetătorii cred că acest mecanism ar putea fi rezultatul unei forme de „război” între virusuri. Atunci când două virusuri infectează aceeași celulă, ele concurează pentru controlul mecanismelor moleculare ale celulei-gazdă. Un virus care deține gene VIPR își poate bloca rivalul, lăsându-l să se multiplice singur.

O armă virală veche de peste patru miliarde de ani

Doudna și colegii săi propun că VIPR ar putea să fi apărut foarte devreme în istoria Pământului, cu mai bine de patru miliarde de ani în urmă. În această ipoteză, virusurile care concurau pentru infectarea primelor microorganisme au dezvoltat sisteme capabile să recunoască și să blocheze materialul genetic al rivalilor.

La un moment dat, un astfel de mecanism ar fi putut ajunge în genomul unui microorganism. Virusurile își pot transfera gene către organismele pe care le infectează, iar o parte din materialul genetic de origine virală a rămas inclusiv în genomul oamenilor.

Dacă această interpretare este corectă, CRISPR ar putea fi rezultatul adaptării de către microorganisme a unei arme create inițial pentru lupta dintre virusuri. Imaginea este neobișnuită: un sistem pe care astăzi oamenii îl folosesc pentru a modifica ADN-ul ar putea proveni dintr-o armă microscopică folosită de virusuri împotriva propriilor rivali.

Deocamdată, cercetătorii nu au demonstrat că VIPR poate fi transformat într-un instrument de editare genetică pentru celule umane. Însă proprietățile sale sunt suficient de interesante pentru a deschide această posibilitate. Dimensiunea redusă a moleculelor ar putea facilita introducerea lor în celule, iar capacitatea de a recunoaște o gamă mai largă de secvențe genetice ar putea oferi avantaje față de unele sisteme CRISPR.

Descoperirea ridică și o întrebare mai largă. Dacă în virusuri s-a ascuns timp de miliarde de ani un sistem atât de interesant, este posibil ca natura să păstreze încă multe alte mecanisme de țintire genetică pe care oamenii nu le-au observat.

„Aș fi foarte surprins dacă VIPR ar fi ultimul sistem neașteptat de țintire pe care îl descoperim”, a spus Rafael Pinilla-Redondo.

Pentru Doudna, faptul că un posibil strămoș al tehnologiei CRISPR s-a aflat ani întregi chiar în congelatorul laboratorului său este, mai presus de toate, o lecție despre cât de puțin înțelegem încă biologia.